金属富勒烯Y＠C36结构和性能的密度泛函研究

采用Cerius 2中的GGA/PW91密度泛函方法对具有D6h对称性的C36及其衍生物Y＠C36进行结构全优化, 系统地分析了Y在C36笼内不同占位时系统的能量及稳定性等, 并在同一方法下对结构全优化后的C36和Y＠C36进行了能量、能级、态密度及光学性能分析, 研究了Y原子的嵌入对C36结构和性能的影响.     

D2dC36的二聚体的结构和稳定性

用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,在6-31G*水平上系统研究了具有D2d对称性的C36分子形成的二聚体(C36)2的可能的稳定结构及其稳定性.结果表明,两个C36的六元环面对面、由两个C(2)-C(2)连接而成且具有C2v对称性的结构的能量最低.在所研究的二聚体(C36)2中,C36笼间键长在1.530×10-1～1.660×10-1 nm范围内,说明C36单体间仍以共价键结合.(C36)2的稳定性以及笼间键长与成键原子的位置密切相关.本文还给出了计算所得(C36)2的电子结构,并讨论了其对(C36)2性质的影响.此外,在B3LYP/6-31G*水平上对最稳定的二聚体C2v(C36)2结构作了振动频率分析,并对振动光谱特征进行了讨论.     

Nb 掺杂LiFePO4/C 的一步固相合成及电化学性能

用固相法一步合成了Nb掺杂的LiFePO4/C复合材料, 研究了Nb掺杂量对材料电化学性能的影响. 结果表明, Nb掺杂后LiFePO4/C复合材料的电化学性能明显提高. 在0.5C、1C和2C充放电倍率下, 名义成分为Li0.96Nb0.008FePO4/C正极材料的比容量分别为161、148和132 mAh•g−1, 已达到实用化水平. 阻抗谱和循环伏安特性测试显示, Nb掺杂有效地降低了复合材料电极的阻抗和极化, 说明Nb掺杂的主要作用是提高了LiFePO4的电子电导率.     

F~-离子对C掺杂Nb_2O_5纳米粒子生长及光催化性能的影响

在合成C掺杂Nb2O5的基础上,通过引入F-离子合成出具有更高光催化活性的C,F共掺杂Nb2O5光催化材料,对合成样品进行了分析、表征并测试了其光降解罗丹明B的活性,研究了F-离子对C掺杂Nb2O5纳米粒子生长及光催化性能的影响.结果表明,在合成过程中引入F-离子能够促进Nb2O5纳米晶的生长,尤其是沿[001]方向的生长.实验结果还表明,F未进入Nb2O5纳米晶的晶格内部,而是以F-离子的形式分散在Nb2O5纳米结构中,通过促进Nb2O5表面·OH自由基的产生,起到提高合成样品光催化活性的作用.     

碱土金属Mg外掺杂硼笼B40Mg6的储氢性能

对外掺杂碱土金属Mg的B₄₀硼笼的储氢性能进行了密度泛函理论研究. 结果表明, B₄₀笼含有2个六元环与4个七元环. 多个Mg原子对B₄₀笼进行外掺杂时不会发生成簇现象, 有利于进一步储氢. Mg原子外掺杂的B₄₀笼对H₂分子的平均吸附能介于物理吸附与化学吸附之间(0.1~0.8 eV). 体系的储氢密度达到7.60%(质量分数). 储氢结构能在常温常压下释放H₂分子, 因此, Mg原子外掺杂的B₄₀笼比Mg合金具有更好的储氢性能.     

高倍率锂离子电池负极材料:氮掺杂碳纳米笼

锂离子电池具有能量密度高和循环性好等优点, 广泛应用于小型移动设备等领域, 但尚不能满足需要兼具高容量和高倍率性能的应用要求. 以兼具高比表面积、氮含量高且可调、良好石墨化程度、多尺度分级结构(含孔结构)、有微孔通道的寡层笼壁结构等特征的氮掺杂碳纳米笼(NCNC)为锂离子电池负极材料, 展现出高的比容量、优异的倍率性能和稳定性, 譬如: 在0.1 A·g^-1小电流密度下, NCNC800的循环稳定的充电比容量可以高达约900 mAh·g^-1, 显著优于商业石墨; 在20.0 A·g^-1大电流密度下, 循环500圈后的可逆比容量仍能稳定在约135 mAh·g^-1. 如此优异的电化学性能可归因于NCNC的结构特征, 如高比表面积、良好石墨化程度、独特介观结构和孔结构, 这些特征有利于锂离子传输、电解液渗透和电子传导等. 这为开发高倍率和高比容量的锂离子电池负极材料提供思路.     

铌源和掺杂位置对LiFePO4/C电化学性能的影响

使用Nb2O5和Nb(OC6H5)5为铌源对LiFePO4/C中的锂位和铁位分别掺杂,采用碳热还原法合成掺杂Nb的磷酸铁锂系列材料。运用X射线衍射仪、扫描电镜、循环伏安、交流阻抗谱和恒电流充放电测试等对材料进行表征。结果表明:相比掺杂位置,铌源对材料的颗粒形貌和粒径分布影响更大,而颗粒大小对材料的电化学性能,尤其是大倍率性能的提高有重要作用;掺杂在Li位的Nb元素比在Fe位能更好的稳定晶体结构,从而有利于提高循环性能。     

富勒烯衍生物(C36OH)+异构体间的相互转化机理──羟基(OH)的分子内迁移

用从头算HF/STO-3G方法对(C36OH)+的3种异构体之间的重排机理进行了理论研究.计算结果表明,异构体2的热力学稳定性最强;从动力学角度考虑,由异构体1和3转化为2比反方向转化容易得多.结合电荷在碳笼表面的分布,预计动力学上最终在C7和C26位置上发生羟基加成的几率最大,该结论与热力学上预计的跨赤道六元环内羟基1,4-加成所得到的C36(OH)2异构体最稳定的结果一致.     

Al掺杂Sn12-团簇结构及电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3PW91方法,在混合基组水平上对Al掺杂Sn12-团簇几何结构和电子结构进行了计算分析.结果表明,Al内掺杂Sn12-团簇能量更低更稳定,但LU-MO-HOMO能隙较小.外掺杂多面体簇中,电荷从Al原子移向Sn12-笼,趋向形成[Al+Sn122-]结构;内掺杂多面体簇中,电荷从Sn12-笼移向Al原子,趋向形成[Al-@Sn12]结构.     

Li和Al掺杂的MgO(001)表面负载W_3O_9团簇的构型与电子结构

采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法,对W3O9团簇在经Li和Al原子掺杂的MgO(001)表面的负载构型、稳定性以及体系的电子结构进行了系统研究.结果表明,当掺杂发生在表层时,杂质原子的类型对W3O9团簇的负载构型有显著影响.对于缺电子的Li掺杂,负载后W3O9团簇环状构型并不稳定,转化为链状结构;而Al原子的掺杂则使得MgO(001)表面电子富余,此时W3O9团簇存在平躺和垂直两种吸附方式,二者能量稳定性相近,其中前者存在同时与三个W原子成键的帽氧结构.当掺杂发生在次表层时,两种掺杂体系W3O9的负载构型相似,团簇仍保持环状结构并倾向于采用垂直方式沉积在表面上.与Li掺杂体系相比,富电子的Al掺杂可显著增强W3O9与MgO(001)表面之间的结合能力,负载后有较多电子从表面转移到团簇中特定的W原子上,这将对W3O9团簇的催化性能产生显著影响.     

C40,Nb@C40^＋,La@C40^＋的从头算研究

用量子化学从头算方法研究了Ｃ４０、Ｎｂ＠Ｃ４０＾＋，Ｌａ＾＠Ｃ４０＾＋的几何构型和电子结构，Ｃ４０最稳定构型具有Ｄ２对称性。Ｌａ和Ｎ原子内含于Ｃ４０笼中，形成金属夹心碳笼Ｎｂ＠Ｃ４０＾＋、Ｌａ＠Ｃ４０＾＋。Ｃ４０结合能大于Ｍ＠Ｃ４０＾＋（Ｍ＝Ｎｂ，Ｌａ）。     

C36衍生物C36H12和C36X12簇分子的理论研究

采用从虎ＨＦ／ＳＴＯ－３Ｇ方法,对３６及其衍生物Ｃ３６Ｈ１２和Ｃ３６Ｘ１２（Ｘ＝Ｆ,Ｃｌ,Ｂｒ,Ｉ）进行计算研究,讨论了Ｃ３６Ｈ１２和Ｃ３６Ｘ１２簇分子几何结构随卤素Ｘ原子序数变化的规律,分子的稳定性及电荷转移情况,结果表明,Ｃ３６Ｈ１２和Ｃ３６Ｆ１２在所有簇分子中是较为稳定的。     

C36CH2各种可能异构体芳香性的研究

用键共振能和拓扑共振能方法对富勒烯C₃₆CH₂开环结构中的所有可能异构体及其阳离子和阴离子芳香性进行了研究. 计算结果表明, C₃₆CH₂异构体的稳定性与D_6h和D_2d异构体中各键的键共振能直接有关, 且CH₂基团插入在5/5键时得到的异构体最稳定. C₃₆CH₂的阳离子因其共振能为负值而具有反芳香性. 反之, C₃₆CH₂阴离子因共振能为正值而具有较高的芳香性和稳定性. 从理论上预计C₃₆CH₂的高价阴离子具有很高的芳香性和稳定性.     

C~4~0, C~4~0^+, Nb@C~4~0^+, NbC~3~9^+, Nb@C~4~0H~4^+的 量子化学研究

用量子化学从头计算方法研究了C~4~0,C~4~0^+,Nb@C~4~0^+,NbC~3~9^+,Nb@C~4~0H~4^+的几何构型、电子结构和C~2~8一样,C~4~0(T~d)基态也为^5A~2态,笼骨架上具有四个悬挂键。计算结果表明C~4~0和C~4~0^+比NbC~3~9^+和Nb@C~4~0^+稳定,与实验结果一致。     

C~3~6二聚体的结构和稳定性的理论研究

用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,在3-21G水平上系统研究了C~3~6二聚体(C~3~6)~2的可能的稳定结构及其稳定性。结果表明,两个C~3~6的腰带六元环面对面以两根C－C键连接具有D~2~h对称性的结构的能量最低。在所研究的二聚体(C~3~6)~2中,C~3~6笼间键长在0.151～0.169nm之间,表明C~3~6单体间均以共价键结合。(C~3~6)~2的稳定性以及笼间键长与成键原子的位置密切相关。本文还给出了计算所得的电子结构,并讨论了其对(C~3~6)~2性质的影响。     

具有D~6~h对称性的C~3~6及其衍生物电子结构的密度泛函研究

运用密度泛函方法,比较不同水平的基组(HF/6-311+G^*;B3LYP/6-31G^*;B3LYP/6-311+G^*)对具有D~6~h对称性的C~3~6分子进行构型优化的结果,并分析其几何结构、电子结构、稳定性等性质;采用基组B3LYP/6-31G^*对H@C~3~6,Li@C~3~6,Na@C~3~6,K@C~3~6分子进行构型全优化,分析了不同内嵌原子对其几何结构、电子结构、稳定性等性质的影响;首次在B3LYP/6-311+G^*水平上,对C~3~6H~6,C~3~6H~1~2,X@C~3~6(X=H,Li,Na,K)几何构型及电子结构进行研究并得到其稳定性规律。     

富勒烯C_(36)等电子体C_(34)BN异构体的结构及其相对稳定性理论研究

用半经验的AM1和MNDO方法优化了富勒烯C_(36)的等电子体C_(34)BN所有可能 异构体的构型,分析了各异构体相对稳定性与杂原子取代位置间的关系。另外,比 较了C_(36)碳笼上同位置地取代杂原子形成的C_34BN,C_(34)B_2和C_(34)N_2间的 电子结构,并分析了C_(34)BN最稳定异构体的振动模型。结果表明以C_(36):A (D_(6h))为母体形成的最稳定C_(34)BN异构体对应于碳笼赤道位置六元环中1,4- 取代产物,而以C_(36):B(D_(2d))为母体形成的最稳定C_(34)BN异构体对应于碳笼 近赤道位置的1,2-取代产物.C_(34)BN各异构体的稳定性可能主要由体系的共轭性 质决定。前线轨道能级表明B,N原子取代所得异构体的氧化-还原活性按以下顺序 递增：C_(34)B_2相似文献   

Addition Reactivity of C_（36） Cage Controlled by the Curvature and the Electronic Factors：A DFT Study

The molecular geometries and electronic structures of the fullerene derivatives C36(OH)n(n = 1～2) have been investigated on the basis of density functional theory calculation at the B3LYP/6-31++G* level.The geometry optimization results indicate that the location of C2 atom is the most active site in the three potential adding patterns,and the C1 or C2 site has a larger binding energy than C3 for the addition reactions of C36(D6h) cage and OH radicals resulting from the larger curvature.The electronic structure calculation results disclose that the C2 site has larger electronic population in HOMO and larger spin density,and the addition reaction on the C2 site need overcome a lesser energy gap than that on the C1 or C3 site.Thus,the addition is controlled jointly by the curvature and the electronic factors.Besides,when two hydroxyls are added to the C36 surface,the C2 sites are also the most active locations.The most stable addition adduct of C36(OH)2 is the isomer which holds Ci symmetry,and the spin multiplicity seriously affects the stabilities of the adducts.     

C36H2异构体的稳定性及其加成位置选择性的研究

使用AM1和PM3两种半经验方法,对所有的C₃₆H₂异构体实行非对称性限制的全优化,并结合频率分析及HF/6-31G单点能计算,确定了各异构体的基态结构及其相对稳定性.在此基础上,通过分析加成位置与异构体稳定性之间的关系,得出三条加成位置选择性的规律.最后,利用π-轨道轴矢量(POAV)方法计算了反应前后碳笼中张力的变化.张力与键级分析的结果表明加成位置选择性的规律不是由碳笼释放的张力决定的,而是由C₃₆H₂体系的总共轭性质决定的.